軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道斜下穿多股鐵路路基變形規(guī)律

黃 龍 吳國偉 涂家康

(1.紹興市軌道交通集團有限公司, 312099, 紹興; 2.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司, 102600, 北京∥第一作者, 高級工程師)

隨著鐵路和城市軌道交通的不斷發(fā)展,地鐵隧道穿越鐵路路基的情況也越來越多,地鐵盾構(gòu)隧道的施工可能會引起鐵路軌面不平順,甚至影響到鐵路的運行安全。目前,研究人員已對盾構(gòu)隧道施工引起的鐵路沉降規(guī)律及加固方案進行了大量研究[1-3],但對軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道斜下穿既有運營鐵路的研究相對較少?；诖?本文以紹興軌道交通1號線(以下簡稱“1號線”)下穿杭甬鐵路為例,采用數(shù)值模擬分析法,研究地層加固及盾構(gòu)隧道下穿施工對既有鐵路路基的影響規(guī)律。同時,結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證地層預(yù)加固措施對控制鐵路路基沉降的有效性。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)穿越情況

1號線大灘站—火車站站區(qū)間盾構(gòu)穿越杭甬鐵路紹興站站房及站內(nèi)6個鐵路股道,隧道采用土壓平衡盾構(gòu)施工,盾構(gòu)內(nèi)徑為5.9 m,外徑為6.7 m,管片寬度為1.2 m,厚度為40 cm,管片采用錯縫拼裝形式,區(qū)間線路與杭甬鐵路交角為70.3°,下穿鐵路位置的盾構(gòu)埋深約為18.5 m,左右線中心距約為16 m。盾構(gòu)區(qū)間與杭甬鐵路的平面位置關(guān)系示意圖如圖1所示。盾構(gòu)下穿的杭甬鐵路紹興站為有砟軌道、電氣化線路(軟橫跨),站內(nèi)共有6股鐵路股道,其中蕭甬(杭州蕭山—寧波)鐵路上下行正線2股,到發(fā)線4股,下穿處無道岔。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間與杭甬鐵路的平面位置關(guān)系示意圖

1.2 工程地質(zhì)條件

下穿位置盾構(gòu)上覆土層,自上而下依次為①1碎石填土、①2素填土、③1-2淤泥質(zhì)黏土、④2粉質(zhì)黏土、④3粉質(zhì)黏土,盾構(gòu)主要穿越④3粉質(zhì)黏土和⑤2粉質(zhì)黏土,土質(zhì)相對較差。土層主要參數(shù)如表1所示。

表1 土層主要參數(shù)

2 盾構(gòu)隧道掘進施工對杭甬鐵路路基的變形影響

通常情況下,鐵路路基沉降是導(dǎo)致上方線路不平順的主要原因,結(jié)合以往地鐵盾構(gòu)隧道下穿有砟鐵路線路的經(jīng)驗,并征詢鐵路部門意見,盾構(gòu)下穿施工引起的鐵路路基沉降需控制在10.00 mm以內(nèi)。

在1號線下穿杭甬鐵路的施工過程中,地鐵盾構(gòu)施工會導(dǎo)致既有鐵路下部地層損失,進而引起地層的沉降或隆起,造成鐵路路基和軌道的變形,危害列車的正常運行。采用有限元分析軟件建立三維仿真模型,模擬盾構(gòu)掘進對杭甬鐵路的影響,為采取預(yù)加固措施提供理論依據(jù)。

2.1 數(shù)值模型

基于巖土有限元軟件Plaxis3D,建立巖土、盾構(gòu)隧道、鐵路路基一體化模型。土層計算參數(shù)結(jié)合本工程地質(zhì)勘察報告和相關(guān)的工程經(jīng)驗進行取值,數(shù)值計算模型如圖2所示。假設(shè)圍巖為理想彈塑性材料,采用Mohr-Coulomb模型,圍巖均采用實體單元模擬,盾構(gòu)隧道管片采用結(jié)構(gòu)板單元模擬,土體單元為10節(jié)點四面體單元,結(jié)構(gòu)板單元為6節(jié)點面單元。在有限元軟件中,通過凍結(jié)隧道范圍內(nèi)的土體單元激活管片單元,同時進行斷面收縮來模擬盾構(gòu)掘進過程,即先施工左線隧道,再施工右線隧道。隧道下穿杭甬鐵路路基區(qū)域的主要穿越土層為④3粉質(zhì)黏土和⑤2粉質(zhì)黏土,土體的強度較差。根據(jù)工程經(jīng)驗,采用5‰～8‰的地層損失率分析盾構(gòu)隧道施工對杭甬鐵路路基的變形影響,其中未采取地基預(yù)加固時地層損失率取8‰,采取加固時地層損失率取5‰。路基上部列車和軌道荷載參照TB 10001—2016 《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》,路基上所施加的列車和軌道荷載的分布寬度定為3.5 m,等效荷載為60 kPa。

a) 三維網(wǎng)格模型

2.2 加固方案

對于穿越鐵路段,盾構(gòu)隧道在軌道兩側(cè)向軌道下方斜向打設(shè)袖閥注漿管,袖閥管呈梅花形布置,間距為1 m,加固范圍為盾構(gòu)區(qū)間上方2 m(覆蓋④3粉質(zhì)黏土)至盾構(gòu)底部以下3 m土體,加固寬度為左右線盾構(gòu)兩側(cè)各3 m范圍,同時保證加固體邊線與鐵路股道及盾構(gòu)掘進面垂直。加固方案示意圖如圖3所示。

a) 平面圖

2.3 盾構(gòu)掘進施工對杭甬鐵路的影響分析

2.3.1 路基沉降變形分析

由于穿越的股道較多且各股道的變形規(guī)律基本類似,因此以盾構(gòu)隧道施工對杭甬鐵路5#到發(fā)線為例進行分析。各工況下,5#到發(fā)線路基中心沿鐵路線縱向位置的堅向變形曲線如圖4所示,其他股道僅列出其路基最大沉降值,如表2所示。

表2 各股道路基最大沉降值

圖4 各工況下5#到發(fā)線路基中心沿鐵路線縱向位置的 豎向變形曲線

由圖4可知:盾構(gòu)掘進過程中,杭甬鐵路5#到發(fā)線的路基在左線貫通時的最大沉降值為4.75 mm,位于左線開挖面正上方;隨著盾構(gòu)隧道右線的貫通,鐵路路基沉降最大值逐漸向兩隧道中間偏移;當盾構(gòu)隧道右線貫通時,路基的最大沉降值為8.20 mm,位于左右線隧道的中間位置。由表2可知:當鐵路路基未采取加固措施時,杭甬鐵路路基最大沉降值為13.12 mm,位于杭甬鐵路5#到發(fā)線,超過沉降控制標準要求;當采用注漿加固措施后,杭甬鐵路路基最大沉降值為8.20 mm,滿足控制標準要求。由此可見,對盾構(gòu)穿越區(qū)域的地基進行主動加固是非常有必要的。

2.3.2 軌道幾何狀態(tài)分析

根據(jù)各工況下股道左右軌的豎向變形分析結(jié)果,按照10 m弦長計算各工況下左右軌的高低幾何形態(tài),同樣僅對5#到發(fā)線的不平順性進行分析。各工況下,5#到發(fā)線左右軌高低不平順及水平不平順曲線如圖5所示,其他股道僅列出其不平順最大值,如表3所示。

表3 各股道軌道幾何不平順最大值

a) 左軌高低不平順

由圖5 a)和5 b)可知:各工況下,由盾構(gòu)施工引起的5#到發(fā)線左軌軌面高低不平順最大值為0.247 mm,發(fā)生在工況三;5#到發(fā)線右軌軌面高低不平順最大值為0.228 mm,也發(fā)生在工況三,但其均未超過TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定的控制標準要求。由圖5 c)可知,各工況下,由盾構(gòu)施工引起的5#到發(fā)線鋼軌軌面水平不平順最大值為0.371 mm,發(fā)生在工況六,未超過TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定的控制標準要求。由表3可知:盾構(gòu)施工引起的軌道高低不平順最大值為0.247 mm,發(fā)生在5#到發(fā)線左軌位置;水平不平順最大值為0.465 mm,發(fā)生在6#到發(fā)線位置。以上軌道幾何不平順均未超過控制標準要求。

3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

在盾構(gòu)下穿施工期間,杭甬鐵路處于正常運營狀態(tài)。為實時監(jiān)測鐵路線路的沉降控制效果,對隧道頂部注漿加固區(qū)布設(shè)監(jiān)測點。本工程盾構(gòu)下穿紹興站內(nèi)杭甬鐵路共6道股道,監(jiān)測點分別在1、3、5、6股道外側(cè)各布置1個監(jiān)測斷面,另外分別在1、2股道之間,2、4股道之間,4、6股道之間,3、5股道之間各布置1個監(jiān)測斷面,共布置8個監(jiān)測斷面,每個監(jiān)測斷面點埋設(shè)12個測點。監(jiān)測點在施工影響區(qū)域中心向兩側(cè)展開,沿鐵路路基縱向呈斷面埋設(shè),布設(shè)在鐵路路基兩側(cè)路肩上,盾構(gòu)隧道頂部軸線布設(shè)1個路基測點、盾構(gòu)兩側(cè)輪廓邊線布設(shè)路基測點各1個,盾構(gòu)外邊線向外沿路基布置間距不大于10 m。現(xiàn)選取變形最大的股道5外側(cè)斷面Ⅰ作為典型截面,其沉降監(jiān)測點布置示意圖如圖6所示。

注:LZ為路中監(jiān)測點;LJ為路肩監(jiān)測點。

下穿鐵路期間的盾構(gòu)現(xiàn)場施工參數(shù)為:總推力11 000～12 400 kN,刀盤扭矩2 000～2 650 kNm,刀盤轉(zhuǎn)速為1.1～1.2 r/min,掘進速度為35 mm/min,土倉壓力為0.22 MPa,注漿壓力為0.3 MPa,注漿量為每環(huán)2.8～3.0 m3。受盾構(gòu)接收時間限制,盾構(gòu)左線需要3 d通過下穿鐵路區(qū)域,平均每天掘進20環(huán);盾構(gòu)右線需要5 d通過下穿鐵路區(qū)域,平均每天掘進12環(huán)。這可能也是導(dǎo)致鐵路累計沉降左線位置大于右線位置的部分原因。

盾構(gòu)隧道施工引起的鐵路路基斷面Ⅰ的沉降曲線,如圖7所示,以LJ96作為橫軸0點,34 m位置為盾構(gòu)隧道右線中心線,51 m位置為盾構(gòu)隧道左線中心線。由圖7可知,盾構(gòu)隧道下穿杭甬鐵路引起的鐵路路基沉降最大值約為5.80 mm,最大值發(fā)生在左線中心線上方而不是兩隧道線路中心上方,該變形規(guī)律與數(shù)值模型計算結(jié)果有差異,主要原因可能與盾構(gòu)施工的推進速度、正面土壓力、注漿量、注漿壓力或推進順序等因素有關(guān)。

注:L為沿鐵路方向各點至LJ96的距離。

隧道下穿鐵路施工期間,2個測點累計豎向位移時間歷程曲線對比,如圖8所示。盾構(gòu)施工期間,鐵路路基隆起值越大,后續(xù)的收斂沉降值越小。路基豎向變形大致可分為4個階段。階段1為路基隆起階段,測點LJ92平均隆起量約為2.17 mm,測點LJ89平均隆起量約為1.40 mm。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因為盾構(gòu)到達路基下方時,由于盾構(gòu)推力及同步注漿壓力的共同作用,鐵路路基總體呈現(xiàn)隆起現(xiàn)象。階段2為路基快速沉降階段,在3 d時間內(nèi),測點LJ92從隆起2.40 mm變到沉降1.40 mm,變形速率為1.27 mm/d;測點LJ89從隆起3.20 mm變到沉降1.70 mm,變形速率為1.63 mm/d。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因為盾構(gòu)通過后,由于盾尾建筑空隙(管片與盾構(gòu)外徑之間的空隙)的存在,導(dǎo)致壁后土體發(fā)生較大的彈塑性變形,此沉降也是盾構(gòu)法施工引起地層沉降的主要來源[4]。階段3為路基的平穩(wěn)波動階段,施工期間采取二次注漿,使路基發(fā)生輕微的隆起和沉降。階段4為后續(xù)固結(jié)沉降階段,產(chǎn)生沉降的原因主要為盾構(gòu)頂推過程及注漿過程中,原狀土層受到了較大程度的擾動,當盾構(gòu)施工完成后,發(fā)生了超孔隙水壓消散的主固結(jié)沉降,以及土體骨架蠕變所引起的次固結(jié)沉降現(xiàn)象。

圖8 隧道下穿鐵路施工期間2個測點累計豎向位移 時間歷程曲線對比

4 結(jié)論

1) 未考慮盾構(gòu)穿越區(qū)域地基加固的情況下,杭甬鐵路路基頂面最大沉降值為13.12 mm,位于杭甬鐵路5#到發(fā)線路基處,不滿足沉降控制標準要求;當盾構(gòu)穿越區(qū)域采用袖閥管注漿加固措施后,杭甬鐵路路基頂面最大沉降值為8.20 mm,位于杭甬鐵路5#到發(fā)線路基處,滿足沉降控制標準要求。

2) 由監(jiān)測結(jié)果可知,盾構(gòu)隧道下穿杭甬鐵路引起的路基最大沉降值約為5.80 mm,進一步表明了袖閥管注漿在控制鐵路路基沉降變形方面的有效性。

3) 監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明,盾構(gòu)施工期間鐵路路基隆起值越大,后續(xù)的收斂沉降值相對越小,建議在后續(xù)類似工程的盾構(gòu)推進過程中,可適當增加土倉壓力和注漿壓力,以減小后續(xù)路基沉降值。

4) 盾構(gòu)隧道下穿杭甬鐵路引起的鐵路路基橫向沉降最大值發(fā)生在左線中心線上方,而不是兩隧道線路中心上方,主要原因可能與盾構(gòu)施工的推進速度、正面土壓力、注漿量和注漿壓力等因素有關(guān),因此盾構(gòu)施工期間應(yīng)加強盾構(gòu)掘進參數(shù)的控制。